Hành trình phát triển công nghệ vệ tinh (Phần 6): Rời ngôi nhà xanh

Tiểu thuyết gia Mỹ Gene Roddenberry - người sản xuất và sáng tạo loạt phim khoa học viễn tưởng Star Trek đã từng nói: “Vẫn chưa dừng lại; “mọi thứ” còn chưa được phát minh; hành trình của nhân loại chỉ mới bắt đầu”. Câu nói trên rất phù hợp để miêu tả toàn cảnh bức tranh thế giới sau cuộc đua giữa Hoa Kỳ và Liên Xô. Giấc mơ chinh phục không gian bước ra từ tiểu thuyết, công nghệ vệ tinh được sinh ra từ những thí nghiệm khoa học quân sự bây giờ tiếp tục được nuôi dưỡng bởi nhiều nước và tổ chức liên quốc gia. Từ Trái đất, nhân loại gieo những “hạt giống” vệ tinh. Chúng rời ngôi nhà xanh, bay đến từng ngóc ngách của vũ trụ vô tận để khám phá muôn vàn điều bí ẩn. Tiếp theo 5 kỳ trước, trong số lần này, chúng ta sẽ khởi hành từ Mặt trăng gần gũi, cùng điểm qua “những cái đầu tiên”, cho đến những sứ mệnh không tưởng, vươn đến các hành tinh trong Thái Dương hệ và vô cùng.

 Hình ảnh minh họa về module đổ bộ xuống bề mặt Mặt trăng của Luna 9 – tàu thăm dò đầu tiên có khả năng hạ cánh có kiểm soát xuống Mặt trăng. Nguồn: Science Photo Library. 

Chạm đến cung trăng

Trong khi những bức ảnh đầu tiên từ Luna 1, 2 giúp loài người có cái nhìn cận cảnh đầu tiên về một thiên thể ngoài Trái đất; Luna 3 giúp đưa “vùng tối” của Mặt trăng ra trước công chúng toàn cầu. Các sứ mệnh Luna tiếp theo của Liên Xô tiếp tục đẩy tham vọng không gian của con người lên một tầm cao và thách thức mới, vén bức màn bí ẩn to lớn, từ khi loài người ngước nhìn lên trời, ngắm trăng tròn rồi lại khuyết và luôn tự hỏi những gì đang diễn ra tại nơi xa xôi kia, liệu nơi đó có phải là một địa cầu tươi sáng khác hay là sa mạc khô cằn không sự sống, từ vô vàn những câu hỏi vì sao khởi đầu cho quá trình viễn chinh của con người.

Luna 9 do nhóm OKB-1 nổi tiếng thiết kế là thiết bị nhân tạo đầu tiên chạm đến một nơi xa xôi ở ngoài Trái đất vào tháng 2/1966. Tàu có khối lượng khoảng 99kg, bung túi giảm xóc và dù ra khi đáp trực tiếp nhẹ xuống bề mặt Mặt trăng, có các động cơ phản lực phụ để giảm tốc độ tiếp đất đến mức tối thiểu, từ tốc độ vũ trụ cấp I đến gần 30 ngàn km/h, chỉ còn lại khoảng 22km/giờ nhằm bảo toàn các thiết bị tinh vi bên trong. Sau khi va chạm, tàu tiếp tục nẩy và lăn nhiều vòng trước khi dừng lại ở phía Tây hai miệng hố Reiner và Marius, tại Oceanus Procellarum rộng lớn (tiếng Latin có nghĩa là “vùng Biển của những Cơn bão”). Thiết kế hình viên nang kín khí chứa thiết bị vô tuyến, bộ đo thời gian, hệ thống kiểm soát nhiệt, thiết bị khoa học, nguồn điện và hệ thống truyền hình. Sau khi đáp xuống, module lập tức mở bung ra sau 250 giây khởi động, truyền phát tín hiệu đầu tiên về Trái đất. Những bức ảnh sắc nét trên bề mặt Mặt trăng được mã hóa và phát trực tiếp về Trái đất ngay lúc đó, nhưng Liên Xô quyết định không công bố mãi cho đến sau này, tuy nhiên ở thời điểm đó đã có một số nhà khoa học ở Liên hiệp Anh đã theo dõi và xác nhận rằng tàu đang truyền tín hiệu mang dữ liệu ảnh.

Để đạt được thành công này, Liên Xô đã phóng hỏng tới 12 lần, hành trình dài hơi này gặp nhiều vấn đề cho việc thiếu đi sự lãnh đạo tài tình của Korolev, ông mất ngay trước lần phóng thành công. Ở thời điểm đó, chỉ huy thiết kế của OKB-1 là Lavochkin bận bịu với các sứ mệnh đưa con người lên Mặt trăng thay vì chỉ là tàu đổ bộ. Tuy nhiên, cũng chính ông và đội ngũ đã nhào nặn lên các tàu thăm dò liên hành tinh của Liên Xô trong suốt quá trình sau này.

Tàu Luna 17 tiếp tục được phóng đến Mặt trăng, mang theo Lunokhod 1 với sứ mệnh phục vụ khoa học, đáp thẳng xuống đồng bằng dung nham Lama Imbrium hay còn gọi là “vùng Biển của những Cơn mưa” vào tháng 11/1970. Đây là miệng hố lớn nhất Hệ Mặt trời, kết quả của vụ va chạm với tiền hành tinh, và được lấp phẳng bởi dung nham cách đây hàng tỷ năm trước. Đồng bằng này rộng lớn đến mức thậm chí có thể nhìn rõ được từ Trái đất.

Một bước tiến đáng chú ý kèm theo đó là tàu điều khiển từ xa Lunokhod 1, lần đầu tiên con người triển khai một thiết bị di chuyển thực địa được trên một thiên thể ngoài Trái đất. Trước đó Liên Xô đã thử với “Lunokhod 0” nhưng thất bại khi tiếp cận quỹ đạo vào năm 1969. Lunokhod 1 mang trên mình những thiết bị tân tiến nhất của thập niên 70, như chảo ăng-ten có hình nón lớn, thu nhận tín hiệu chính xác cũng như bốn máy ảnh ghi hình chất lượng ti-vi trắng đen thời đó, máy thu nhận tia X, kính viễn vọng tia X, cảm biến bức xạ vũ trụ, và một đèn laser định hướng. Tất cả thiết bị được đóng gói trong khung sườn khoảng 2,3 mét có hình dạng như một chiếc bồn tắm, thiết kế tỉ mỉ sao cho tàu chỉ hoạt động theo “ngày Mặt trăng”, tức là vào ban ngày khi Mặt trời lên ở Mặt trăng và chuyển sang chế độ ngủ đông khi Mặt trời lặn, giữ ấm bằng năng lượng hạt nhân. Điều này giúp tiết kiệm năng lượng cũng như có thể sạc pin bằng năng lượng Mặt trời, từ đó tự do hoạt động và chụp ảnh theo yêu cầu điều khiển tại mặt đất. Ngoài ra, để hoạt động ở môi trường chân không khắc nghiệt và kiểu bề mặt đất đá khác lạ so với Trái đất, tàu còn mang theo bên mình những thùng chứa chất dầu gốc florua đặc biệt giúp cho bánh xe có thể hoạt động trơn tru.

Ảnh chụp bề mặt sao Kim từ Venera 13 do Liên Xô phóng vào năm 1981, con tàu đã tồn tại được khoảng 2 giờ trước khi bị nhiệt độ và áp suất cực lớn của sao Kim phá hủy. Nguồn: Astronomy.com

Cho đến tận 2010, nhờ việc không có bầu khí quyển, dẫn đến không có hiện tượng ăn mòn, cũng như trú nấp an toàn tại một hố thiên thạch, Lunokhod 1 gần như được bảo toàn nguyên vẹn. Đây là một bản thiết kế sống động, truyền cảm hứng cho đội ngũ thiết kế các tàu tự hành sau này, khi mà với tiềm lực còn hạn chế, con người đã gián tiếp “đặt chân” lên Mặt trăng, quan trắc kỹ lưỡng, ghi lại và phát về trạm vô tuyến tại Trái đất trên dưới 20 ngàn bức ảnh, trong đó có 206 hình chụp toàn cảnh bề mặt Mặt trăng. Tàu còn thực hiện phân tích vật chất, kiểm tra độ cứng 25 mẫu đất đá bằng công nghệ tia X ở tại 500 địa điểm khác nhau. Mặc dù ban đầu tàu chỉ được thiết kế để hoạt động trong ba ngày Mặt trăng (khoảng ba tháng ở Trái đất), nhưng cuối cùng tàu hoạt động hơn bảy ngày Mặt trăng (lên tới 321 ngày Trái đất) với chặng đường đi được là 10,54km.

Tuy thất bại trong khi phóng, ở khoảng hơn 113 ngàn km, các kỹ sư điều khiển chủ đích cho tàu xả khí nén trong buồng kín ra, tạo ra đám khí lớn ngưng đọng bên ngoài thân tàu và một vệt đường tương tự như sao chổi, tạo điều kiện để quan sát quỹ đạo thực nghiệm quanh Mặt trời của một vật thể nhân tạo từ Trái đất. Luna 1 mở ra một trang mới trong nghiên cứu, khám phá vũ trụ nói chung và không gian liên hành tinh nói riêng. Đến nay, tàu vẫn còn nằm trong quỹ đạo đâu đó giữa sao Hỏa và Trái đất.

Cận cảnh hành tinh Vệ nữ

Sau Mặt trăng, sao Kim là hành tinh đầu tiên có thiết bị nhân tạo đáp xuống bề mặt. So với sao Hỏa – Hành tinh Đỏ với những câu chuyện viễn tưởng lý thú, tiêu tốn không ít giấy mực của văn hóa đại chúng, sao Kim dường như một viên ngọc quý ẩn mình chờ được khám phá. Nhìn bằng mắt thường từ Trái đất, sao Kim hay còn gọi là sao Hôm/sao Mai rực sáng khi mọc vào bình minh và lặn dần vào hoàng hôn, hành tinh ở gần Mặt trời này trông giống một thế giới kỳ ảo với các đám mây dày mịn màng khi nhìn qua kính thiên văn đủ mạnh. Sở dĩ sao Kim được chọn làm nơi đầu tiên mà con người gửi tàu thăm dò đến là kích thước tương đồng với Trái đất, cũng như khoảng cách tương đối gần, chu kỳ quỹ đạo ngắn và dễ chạm đến hơn là sao Hỏa, khoảng cách trung bình với Trái đất lên tới 388 triệu km, trong khi với sao Kim chỉ bằng chưa đến 1/3.

Khi những chương trình khám phá không gian ở thập niên 50 của Liên Xô vẫn đang phát triển với tốc độ chóng mặt, các nhà khoa học và kỹ sư đã nhắm tới những cột mốc lớn lao như hạ cánh ở một hành tinh khác trong hệ Mặt trời. Cuối năm 1959, với nền tảng là tên lửa R-7 trong tay, chính phủ quyết định thông qua các dự án thiết lập trạm cho sao Kim và sao Hỏa. Lúc này, các nhà khoa học vẫn còn cho rằng khí quyển dày đặc của Kim tinh cũng hỗ trợ cho sự sống giống như với Trái đất.

Verena 1 (tháng 2/1961) và Verena 2 (tháng 11/1965) đều bị mất tín hiệu sau khi rời khỏi quỹ đạo quanh Trái đất. Một điểm đáng chú ý là thiết kế đầy tham vọng của những phi thuyền này. Verena 1 nặng gần 650kg, còn Verena 2 thì gần 960 kg, và thiết kế của chuỗi vệ tinh trông khá giống nhau. Thân các vệ tinh cao tầm 2m, có hình trụ tròn kèm mái vòm bên trên. Chúng được trang bị với đầy đủ những pin mặt trời, ăng-ten parabol lưới thép đường kính 2m để phát tín hiệu có tần số cực cao (UHF) về Trái đất, ăng-ten sóng ngắn truyền dữ liệu trong pha đầu còn cận kề Trái đất, các từ kế, bộ đếm Geiger để phát hiện và đo đạc bức xạ ion hóa… Verena 1 sượt qua sao Kim ở khoảng cách 100 ngàn km. Con số được rút ngắn còn gần 24.000km cho Verena 2. Có những lần thử khác vào đầu thập niên 60 đều thất bại. Tuy nhiên do không được công bố chính thức nên chúng không được gắn hiệu “Verena”.

Mãi đến ngày 16/11/1965, thì Verena 3 mới được phóng “thành công”. Tuy đâm được vào bề mặt hành tinh vào đầu tháng 3/1966, thiết bị do thám dữ liệu của nó lại bị hỏng ngay khi mới tiến vào Kim tinh. Vì vậy mà không có thông tin gì về khí quyển được gửi về. Tên lửa dùng cho sứ mệnh này là Molniya (tia chớp) – bản nâng cấp của R-7 với 4 tầng động cơ được tăng công suất và lõi được gia cố để có thể đẩy vệ tinh khỏi quỹ đạo tầm thấp. Molniya là thiết kế vội vã của các kỹ sư Liên Xô nên gặp nhiều trục trặc ở các tầng trên cùng.

Hai năm sau, vào ngày 18/10, Verena 4 mới thành công gửi về những thông số đo đạc đầu tiên. Về mặt thành phần, chủ yếu khí quyển của sao Kim là khí CO2 (hơn 90%). Nó cũng phát hiện một từ trường yếu không có trường bức xạ, và lớp ngoài cùng khí quyển còn có một chút H2. Hành tinh này cũng được cho là vô cùng nóng, và áp suất không khí thì cao gấp 25 lần trên Trái đất. Dẫu vậy, con số 25 atm là không chính xác vì thiết bị đã bị phá hủy trước khi kịp đáp đất. Áp suất không khí đúng phải là 90 atm tức gấp 90 Trái đất! (số liệu do Mariner 5 thu thập vào năm 1967). Cũng nhờ kinh nghiệm đó mà Verena 5 và 6 chỉ được giao nhiệm vụ do thám bầu khí quyển của sao Kim. Được thiết kế để bỏ bớt một nửa khối lượng trước khi bắt đầu tiến hành thâm nhập, hai thiết bị đã trả về hơn tổng cộng 100 phút dữ liệu quý giá trước khi bị tan chảy hoàn toàn.

Không ngạc nhiên khi mà mục tiêu của tàu Verena số 7 (phóng vào tháng 8/1970) – bước tiến tiếp theo là một cuộc đổ bộ nhẹ nhàng. Vì mong muốn chinh phục bằng mọi giá, tàu được gia cố một cách “thái quá” để có thể tồn tại được, dẫn đến tăng khối lượng đáng kể. Vỏ tàu được làm bằng chất liệu titan đủ cứng để có thể chịu được áp suất lên đến gần 180 atm, lớn hơn đáng kể so với những gì dự kiến gặp phải. Bởi vì giới hạn cân nặng của tên lửa phóng khi đó mà tàu chỉ mang theo số lượng ít các thiết bị đo lường cho cả tàu chở lẫn tàu do thám: một máy dò hạt tích điện gió mặt trời và một máy dò tia vũ trụ, máy đo độ cao, các cảm biến nhiệt độ, áp suất, và gia tốc kế. Nhờ vậy mà Verena 7 va vào sao Kim với tốc độ khoảng 16.5 m/s, đủ để “sống sót” gửi về những tín hiệu đầu tiên từ bề mặt. Tuy vậy, tàu thăm dò được cho là đã bị hỏng khi va chạm khi không gửi về tín hiệu, nhưng trên thực tế các cuộn băng ghi vẫn tiếp tục quay. Phải đến vài tuần sau, khi nhà thiên văn học vô tuyến Oleg Rzhiga xem xét, người ta tìm thấy thêm 23 phút tín hiệu rất yếu trên đó. Tàu thăm dò đã truyền thông tin về Trái đất trong 53 phút, bao gồm khoảng 20 phút từ bề mặt. Người ta thấy rằng nhiệt độ ở bề mặt sao Kim là khoảng 475°C, và áp suất khí quyển lên tới 89 atm. Từ việc tàu dừng lại nhanh chóng (từ lúc rơi xuống đứng yên trong 0,2 giây), có thể kết luận rằng tàu đã va phải một bề mặt rắn với mức độ bụi thấp. Những thông tin trên giúp chúng ta dễ dàng kết luận rằng con người không thể nào tồn tại trên bề mặt sao Kim.

Các kỹ thuật viên chuẩn bị đóng gói Mariner 10 trước khi phóng vào tháng 11/1973. Nguồn: NASA Kennedy Space Center.

Mariner 10 áp dụng cơ chế súng cao su hấp dẫn liên hành tinh để di chuyển. Trong cơ học quỹ đạo, thuật ngữ này ám chỉ việc sử dụng chuyển động tương đối như quỹ đạo xung quanh Mặt trời và lực hấp dẫn của một hành tinh (hoặc vật thể thiên văn khác) để thay đổi đường đi và tốc độ của một tàu vũ trụ, chủ yếu là để tiết kiệm nhiên liệu phóng và giảm chi phí. Cơ chế này cũng được sử dụng cho tàu Voyager 1 và 2. Mariner 10 sử dụng sao Kim để bẻ cong đường bay và đưa điểm cận nhật (điểm gần với Mặt trời nhất trên quỹ đạo hành tinh) xuống ngang với quỹ đạo của sao Thủy. Thay vì phải bay từ Trái đất tới sao Kim, rồi dùng nhiên liệu để thoát khỏi trọng lực của sao Kim để đến sao Thủy, tàu chỉ cần mượn Kim tinh để bẻ cong hành trình. Nói cách khác, tàu đã thay đổi quỹ đạo sao cho có thể vừa ghé ngang sao Thủy và sao Kim, vừa quay xung quanh Mặt trời. Thao tác này lấy cảm hứng từ các tính toán cơ học quỹ đạo của nhà khoa học người Ý Giuseppe Colombo. Sau đó, vệ tinh lợi dụng áp suất bức xạ mặt trời trên các tấm pin và anten độ lợi cao của nó để kiểm soát thái độ trong chuyến bay. Đây là tàu vũ trụ đầu tiên sử dụng điều khiển áp suất mặt trời chủ động.

Đây là phi thuyền thứ mười hai đến được sao Kim và là phi thuyền thứ tám để trả lại dữ liệu từ hành tinh, cũng như sứ mệnh đầu tiên thành công trong việc phát hình ảnh của sao Kim trở lại Trái đất. Mariner 10 được xây dựng dựa trên các quan sát của Mariner 5 sáu năm trước đó; quan trọng là Mariner 10 có một máy ảnh trong khi nhiệm vụ trước đó thiếu một máy ảnh.
 

Hệ thống hình ảnh, Thử nghiệm Chụp ảnh Truyền hình, bao gồm hai kính thiên văn Cassegrain 15 cm (5,9 in) với cảm biến vidicon, một loại cảm biến dựa trên ống tia âm cực được sử dụng trong máy ảnh truyền hình để thu hình ảnh truyền hình trước khi ra đời cảm biến hình ảnh thiết bị tích điện (CCD). Để tránh sức nóng của Mặt trời, các camera đã được cố tình đặt ở phía phi thuyền quay mặt ra xa Mặt trời. Do đó, các máy toả nhiệt là cần thiết để ngăn máy ảnh mất nhiệt và trở nên lạnh đến mức bị hỏng. Các kỹ sư của JPL phát hiện ra rằng các vidicon có thể tạo ra đủ nhiệt thông qua hoạt động bình thường để duy trì ngay trên nhiệt độ tới hạn là −40°C; do đó máy ảnh không được tắt đi trong chuyến bay. Các bức ảnh chụp thử nghiệm về Trái đất và Mặt trăng cho thấy chất lượng hình ảnh không bị ảnh hưởng đáng kể.
Trong số sáu công cụ khoa học chính, máy ảnh 43,6 kg (96 lb) cho đến nay là thiết bị nặng nhất. Yêu cầu 67 watt điện, các máy ảnh tiêu thụ nhiều điện hơn so với năm thiết bị khác cộng lại. Hệ thống đã trả lại khoảng 7.000 bức ảnh chụp sao Thủy và sao Kim trong suốt quá trình bay lượn của Mariner 10. 

Ngoài ra, Mariner 10 còn có các máy đo bức xạ hồng ngoại, máy quang tử phổ ngoại, máy dò plasma, từ kế… phục vụ cho mục đích nghiên cứu. Khi Mariner 10 quay xung quanh sao Kim ngày 5/2/1974, từ phía ban đêm sang ban ngày, các máy ảnh đã chụp được hình ảnh đầu tiên về hành tinh, cho thấy một cánh cung mây được chiếu sáng trên cực Bắc đang ló dạng từ bóng tối. Mặc dù lớp mây che phủ của sao Kim gần như không có gì đặc biệt trong ánh sáng nhìn thấy, nhưng người ta đã phát hiện ra rằng có thể nhìn thấy chi tiết đám mây bao quát thông qua bộ lọc máy ảnh cực tím của Mariner. Quan sát bằng tia cực tím trên Trái đất đã cho thấy một số vết mờ không rõ ràng ngay cả trước Mariner 10, nhưng chi tiết mà Mariner nhìn thấy là một điều ngạc nhiên đối với hầu hết các nhà nghiên cứu. Trong số 4165 bức ảnh thu được của cuộc chạm trán, một loạt ảnh thu được đã chụp được một bầu khí quyển dày và có hoa văn rõ ràng, với chu kỳ bốn ngày, giống như các quan sát trên mặt đất đã đề xuất. Các bức ảnh tia cực tím là nguồn thông tin vô giá để nghiên cứu các đám mây đang khuấy động của bầu khí quyển sao Kim. Đặc điểm của các đám mây ở tầng bình lưu và tầng đối lưu trên được cho là tạo ra bởi sự ngưng tụ, và sự tương phản giữa các đặc điểm tối hơn và sáng hơn là do sự khác biệt trong khả năng hấp thụ tia UV của đám mây.□